Piece i kotły na biomasę Procesy spalania

(1)

Studia Podyplomowe

EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

w ramach projektu

Śląsko-Małopolskie Centrum Kompetencji Zarządzania Energią

Sterowanie wytwarzaniem energii cieplnej w piecach na biomasę

dr hab. inż. Mariusz Filipowicz

(2)

Sterowanie wytwarzaniem energii cieplnej w piecach na biomasę

Piece i kotły na biomasę Procesy spalania

Rozwiązania techniczne sterowania Przykłady badań na Wydziale

Energetyki i Paliw AGH

(3)

Potencjał energetyczny biomasy

Możliwe jest uzyskanie następujących ilości energii z

różnych źródeł:

68 PJ

37,5 PJ

24 PJ 21,6 PJ

131,1 PJ

Drewno

Alkohol etylowy Estry kwasów tłuszczowych

Słoma

Biogaz

Ogółem na cele

energetyczne: 282 PJ

(4)

Charakterystyka biomasy jako paliwa

http://www.krzysiek.informacja.pl/wspsp/biomasa2.html

(5)

Nieprzetworzone drewno:

a) drewno kawałkowe, b) zrębki drzewne, c)wióry d) trociny, e) kora

Pellet

Słoma

żółta i

szara

(6)

Specyfika spalania biomasy

(7)

Pierwotny i wtórny strumień powietrza

Wymagane są dwa strumienie powietrza – często podawane w odrębny sposób.

Sterowanie obydwoma strumieniami

(8)

Rozwiązania konstrukcyjne spalania biomasy

• Kominki (kominki z płaszczem wodnym)

• Piece i tzw. pieco‐kominki

• Kotły grzewcze

(9)

Piece, piecokominki

http://forum.muratordom.pl/showthread.php?126971‐Kuchnia‐

kaflowa‐z‐p%C5%82aszczem‐wodnym

Materiały firmy Cebud:

www.cebud.eu

(10)

Budowa i zasada działania kominka

http://abcbudowydomu.pl/wp‐content/uploads/schemat‐kominka.jpg http://www.budowakominka.pl/kominek‐zamkniety/

(11)

Podział kotłów na biomasę

• konstrukcje z załadunkiem ręcznym, tzw. kotły wsadowe,

• jak i zautomatyzowane kotły z podajnikiem. Te ostatnie konstrukcje z uwagi na rodzaj palnika i sposób podawania paliwa dzieli się dalej na:

‐ kotły retortowe

‐ kotły z palnikiem szufladowym

‐ kotły z palnikiem wrzutowym

‐ kotły z palnikiem tubowym (rurowym)

(12)

Rozwiązania konstrukcyjne spalania biomasy

• Kotły do spalania biomasy można ogólnie

podzielić na konstrukcje z załadunkiem ręcznym, tzw. kotły wsadowe, jak i zautomatyzowane kotły z podajnikiem. Te ostatnie konstrukcje z uwagi na rodzaj palnika i sposób podawania paliwa dzieli się dalej na:

• ‐ kotły retortowe

• ‐ kotły z palnikiem szufladowym

• ‐ kotły z palnikiem wrzutowym

• ‐ kotły z palnikiem tubowym (rurowym)

(13)

Kocioł z palnikiem retortowym

Kocioł z palnikiem retortowym – Paliwo doprowadzane jest do palnika od spodu przenośnikiem ślimakowym zasilanym

elektrycznie w ilości niezbędnej dla zapewnienia wymaganej temperatury na wyjściu z kotła.

• Przenośnik w sposób ciągły wypycha paliwo do żaroodpornego tygla, gdzie spala się

intensywnym płomieniem.

• Powietrze niezbędne do spalania podawane jest wentylatorem nadmuchowym

wielootworowo do tygla.

• Spalanie zachodzi zawsze tylko na powierzchni kopca w niewielkiej ilości paliwa i w wysokiej temperaturze, dzięki czemu dopalane są wszystkie składniki palne w paliwie, a spaliny opuszczające kocioł są niemal wolne od zanieczyszczeń.

• Popiół powstały podczas spalania usuwany jest na bieżąco do popielnika, a na jego miejsce podawana jest świeża biomasa.

• Palniki retortowe mogą mieć różne kształty paleniska, od okrągłych w formie czaszy, ściętego stożka, poprzez owalne do prostokątnych.

•Zapłon może się odbywać ręcznie lub automatycznie gorącym powietrzem.

• Regulacja wydajności kotła zachodzi poprzez zmianę prędkości obrotowej ślimaka i

wentylatora

(14)

Przykładowe rozwiązanie kotła do użytku domowego

1) Wyczystka górna 2) Panel wodny 3) Czopuch 4) Zbiornik 5) Deflektor

6) Drzwiczki paleniska 7) Wentylator

8) Motoreduktor 9) Retorta

10) Wyczystka przednia 11) Regulowane stopy

Moc [kW]

Wymiary [mm]

Spraw.

cieplna [%]

A szer.

G głęb.

H wys.

L szer.

całk.

20 950 650 1000 1700 85,5

25 950 650 1050 1700 85,5

35 950 650 1150 1700 85,5

KOCIOŁ KGS M, EKOENERGIA

(15)

Kocioł z palnikiem szufladowym

Kocioł z palnikiem szufladowym – podawanie paliwa odbywa się specjalny tłokiem, który przepycha paliwo z zasobnika na ruszt

paleniska. Każdy ruch tłoka powoduje

jednocześnie odżużlanie paleniska i usuwanie powstałego popiołu do popielnika. Palniki szufladowe zwane też tłokowymi lub

posuwowymi, dostępne są wersjach z

płaszczem wodnym i bez. Pierwsze rozwiązanie optymalizuje proces spalania, zmniejszając niebezpieczeństwo spiekania popiołu

Przykład – kocioł firmy Stalmark, Moc 25 KW, sprawność 89.3%

http://www.instsani.webd.pl/kotlybio.htm

(16)

Kocioł z palnikiem wrzutowym

Palniki wrzutowe – w odróżnieniu do palników retortowych paliwo

podawane jest tutaj w pierwszej kolejności ukośnym podajnikiem ślimakowym do środkowej części kotła, skąd rynną zsypową zrzucane jest do specjalnego żaroodpornego tygla od góry, w małych porcjach co kilkanaście do kilkudziesięciu sekund i niemal natychmiast spalane. Palniki z systemem wrzutowym mają z

reguły obrotowe ruszty z napędem elektrycznym, zapewniające

automatyczne odpopielanie paleniska

(17)

Kocioł z palnikiem tubowym

Palniki tubowe – stosowane są do spalania wysokiej jakości pelletu o małej średnicy (poniżej 10mm), ale także ziarna zbóż, wysuszonych trocin i wiórów

drzewnych. Pod względem budowy i zasady działania w niewielkim tylko stopniu różnią się od palników na olej opałowy. Paliwo podawane jest małymi porcjami systemem pneumatycznym, elastyczną rurą zasypową i po automatycznym zapłonie spala się w komorze spalania w sposób natychmiastowy, długim

intensywnym płomieniem.

Palniki tubowe produkowane są w szerokim zakresie mocy od małych o mocy poniżej 30kW dla

gospodarstw domowych po konstrukcje średniej mocy 30‐150 kW, aż do rozwiązań przemysłowych o mocach 300‐700kW

Regulacja wydajności odbywa się zmianą prędkości obrotowej wentylatora nadmuchowego i

intensywnością podawania paliwa.

(18)

Kotły na słomę

Kocioł wrzutowy płomienicowy

1‐ czujnik temperatury 2‐kolektor dymny 3‐ wkład ceramiczny 4‐ rozdzielacz nawiewu

powietrza 5‐ wentylator 6‐ komora spalania 7‐ płaszcz wodny 8‐ izolacja kotła

Kocioł wrzutowy płomienicowo‐płomieniówkowy

1‐ czujnik temperatury 2‐kolektor dymny 3‐ ceramika 4‐ rozdzielacz nawiewu

powietrza 5‐ wentylator 6‐ płaszcz wodny 7‐ izolacja kotła 8‐ komora spalania‐płomienica

• Pierwsze kotły wrzutowe, kotły

płomienicowe, miały niska sprawność, bo 50‐60 %.

Przyczyną tego była utrata znacznej części energii w kolektorze dymnym, spaliny osiągały tam temperaturę aż 400°C.

• Kluczem do

zwiększenia sprawności było wbudowanie systemu płomieniówek, dzięki

czemu zwiększyła się droga przepływu spalin w kotle, a co za tym idzie dochodziło do lepszego dopalania części lotnych spalin. Wprowadzono także system

pojedynczego lub podwójnego zawrotu spalin

(19)

Sterowanie spalaniem biomasy

• Czujniki pomiarowe temperatury: spalin, w przewodzie kominowym, w komorze spalania

• Czujniki stężenia gazów: O

₂

, CO, …

• Sterowanie nawiewem powietrza

pierwotnego i wtórnego

(20)

Schemat układu pozyskiwania informacji i sterowania

P. Butschbach i inny, Sensors and Actuators B 137 (2009) 32–41

(21)

Przykład sterowania kominka (badanie laboratoryjne)

•Kontrola tlenu:

Współczynnik λ: 1.4‐2.5

•Kontrola CO i węglowodorów

•Kontrola temperatury spalania

•Sterowanie:

Dwie przysłony dla powietrza pierwotnego i wtórnego

Algorytm spalania:

‐ powietrze pierwotne sterowane temperaturą w komorze spalania i zawartością tlenu w spalinach

‐powietrze wtórne jest sterowane temperaturą w komorze spalania i zawartością CO/HC

(22)

Źródła sygnałów

Schemat wysokotemperaturowego elektrochemicznego sensora tlenu w gazach wylotowych

Struktura czujnika Carbosen (1000 CO/HC) wykonanego technologią drukowania.

(23)

Przykład działania algorytmu sterowania

Widać jak jest ustawiana przysłona (air shutter) dla powietrza pierwotnego (PSP) i wtórnego (SSP) w zależności od sygnałów sterujących: CT – temperatura w komorze spalania, ROC – zawartość tlenu w spalinach, COHC – zawartość CO i HC, COEGE – równoważna zawartość CO (iloczyn zawartości CO i sumy strumieni powietrza)

(24)

Wykorzystanie czujników płonienia

(25)

Detekcja płomienia

http://www.power‐

technology.com/contractors/environmental/lamtec/lamtec1.html

Wygląd skanera płomienia (podczerwień, ultrafiolet i jonizacja płomienia)

(26)

a) węgiel

b) węgiel + 5% biomasy c) węgiel + 10% biomasy d) węgiel + 20% biomasy

P. Molcan i inni, Fuel 88(2009)2328‐2334

Przykład detekcji płomienia i analizy obrazu

(27)

Przetwarzanie informacji w systemie

sterowania

(28)

Przykład – algorytm predykcyjny

W. Wójcik i inni, „Zastosowanie sterowania predykcyjnego procesu współspalania biomasy i pyłu węglowego w celu obniżenia emisji Nox”

Regulator dostosowuje swoje działanie z wyprzedzeniem,

zanim nastąpią zmiany wielkości wyjściowych układu.

(29)

Automatyka kotłowa ‐ podsumowanie

• Pogodowe sterowanie pracą kotła – regulator wyznacza temperaturę medium dla kotła na podstawie zaprogramowanej krzywej grzania, dostosowując ją do

aktualnych warunków na zewnątrz. Dzięki temu praca kotła jest bardziej ekonomiczna niż w przypadku pracy ze stałą temperaturą zadaną.

• Sterowanie procesem spalania – algorytm pracy regulatora pozwala na w pełni automatyczną pracę kotła. Regulator kontroluje proces rozpalania, spalanie paliwa oraz przeprowadza proces wygaszania, jeśli nie ma w danym momencie

zapotrzebowania na ciepło.

• Sterowanie obiegiem CO ‐ regulator steruje pracą pompy CO, zabezpieczając kocioł przed zbyt niską temperaturą, co wydatnie zwiększa żywotność kotła.

• Sterowanie ładowaniem zasobnika CWU ‐ temperaturą zasobnika ciepłej wody jest stale mierzona i jeśli zajdzie taka potrzeba, regulator automatycznie uruchomi

funkcje ładowania CWU. Dzięki tej funkcji regulator automatycznie utrzymuje temperaturę zasobnika na odpowiednim poziomie.

• Sterowanie obiegiem z zaworem mieszającym – regulator steruje pracą obiegu z zaworem mieszającym, pozwala to utrzymywać temperaturę w obiegu grzewczym na dużo niższym poziomie niż w kotle. Jest to funkcja niezbędna do

sterowania układami ogrzewania podłogowego.

(30)

Automatyka kotłowa cd…

• Okresowe obniżenie temperatury ogrzewania CO i grzania zasobnika CWU. Dzięki temu cały układ grzewczy może być znacznie oszczędniejszy.

• Współpraca z termostatem pokojowym ‐ funkcja ta ma największe

znaczenie w okresach przejściowych (wiosna, jesień), kiedy istnieje ryzyko przegrzania pomieszczeń. Termostat pokojowy podłączony do regulatora pozwala na wyłączenie pompy CO i obniżenie temperatury zadanej kotła.

• Ochrona powrotu – sterowanie pompą bypassu – funkcja ta ma za zadanie ochronić kocioł przed zbyt niską temperaturą wody powracającej z obiegu grzewczego.

(31)

Automatyka kotłowa cd…

• Współpraca z buforem – funkcja powoduje, że kocioł pracuje dłuższymi cyklami, jednocześnie wydłuża sie czas postoju kotła, zmniejsza sie ilość cykli rozpalania / wygaszania. Współpraca z buforem radykalnie poprawia się sprawność całego układu, pozwala zaoszczędzić paliwo oraz przyczynia się do zwiększenia trwałości kotła.

• Automatyczny powrót do pracy po zaniku zasilania – po powrocie napięcia regulator bada stan kotła i podejmuje decyzję o rozpoczęciu pracy,

przejściu do wygaszenia lub wykonuje procedurę rozpalenia w kotle.

• Zabezpieczenie przed przegrzaniem kotła ‐ przekroczenie temperatury maksymalnej lub uszkodzenie czujnika, powoduje kontrolowane

zatrzymanie procesu palenia i uruchomienie pomp CO i CWU.

(32)

Inne elementy automatyki

• Automatyczny ruszt obrotowy oraz odbiór popiołu co

pozwala na regularne i kontrolowane czyszczenie paleniska a zarazem udrażnianiu dopływu powietrza do spalin.

• Za rozpalenie kotła oraz uniemożliwienie mu wygaśnięcia odpowiada zapalarka która jest sterowana czujnikiem

temperatury spalin

• Zapalarka pracuje tylko w momencie rozpalania oraz przy

przejściu z trybu czuwania do trybu pracy automatycznej co

zwiększa jej żywotność.

(33)

Przykład badań na WEiP AGH

• Badania kotła na biomasę o mocy 180 kW

‐ sterowanie nawiewem powietrza za pomocą falowników

• Badania piecokominka

‐ sterowanie otwarciem przepustnicy

(34)

Schemat instalacji

^.

-Kocioł RM40 Metalerg, 180 kW, 1.5 m³ płaszcz wodny - Zbiornik akumulacyjny, 4m³ -dwie pompy 32Pot120A/B LFP LESZNO

-Wymiennik ciepła 180 kW - nagrzewnica Juwent UGW/D-10-IV, 30 kW

-Falowniki ACS310 ABB

-Czujniki temperatury i przepływu

-Analizator spalin O₂, CO₂, CO, SO₂, NO_x

- system, WAGO PLC

750/841

(35)

Elementy instalacji biomasowej na Wydziale

Energetyki i Paliw

(36)

Wizualizacja i oznaczenie elementów pomiarowych temperatury

IW0‐IW7 czujniki temperatury w komorze spalania

(37)

Oprogramowanie systemu pomiarowo‐sterującego

Oprogramowanie

napisane w środowisku CoDeSys

(38)

Przykładowy pomiar – przebieg temperatur w

komorze spalania

(39)

Czujnik temperatury u dołu drzwi wsadowych IW2

Liczba – waga, kg

S – słoma, P – pellet, D – drewno, T – tektura, GM – pelet z gigantus miscantus, L ‐ liście

(40)

Sterowanie falownikowe powietrzem

(41)

Analiza składu spalin

The fuel consisted paper - 5 kg and straw -36 kg, the fan efficiency was set on: 50%.

KDR – gate, bottom, KPR – back wall, KTY – second chamber, KLE – medium left wall

(42)

Sterowanie piecokominkiem

T1 Czujnik temperatury spalania T2 Czujnik temperatury na wyjściu

modułu akumulacji MAC D1 Czujnik otwarcia drzwiczek

paleniska

PP Sterowana przepustnica powietrza

K1 Napęd klapy ciągu kominowego

Fstop Faza spoczynkowa. Regulator oczekuje na otwarcie drzwiczek i przygotowanie paliwa do kolejnego palenia. W stanie STOP przepustnica jest zamknięta.

F0 Stan przejściowy po włączeniu zasilania przy

drzwiczkach zamkniętych. Przepustnica jest otwarta. W zależności od temperatury paleniska regulator decyduje czy przejść do fazy spoczynkowej Fstop czy

kontynuować proces spalania F1.

F0 Stan po otwarciu drzwiczek paleniska.

Przepustnica jest otwarta.

F1 Faza startu. Po załadowaniu paliwa i jego zapaleniu zamykamy drzwiczki paleniska. Jest to sygnał dla regulatora, że rozpoczęto cykl spalania.

Przepustnica jest w pełni otwarta.

F2 Faza rozpalania. Po osiągnięciu temperatury granicznej następuje przejście do F3

F3,4,5 Fazy wzrostu temperatury. Przepustnica jest ustawiana zależnie od temp. zgodnie z teoretyczną krzywą

spalania.

F6 Faza spalania. Oczekiwanie na osiągnięcie maksymalnej temperatury spalania.

F7 Faza obniżania temperatury. Przepustnica jest stopniowo przymykana.

F8 Faza żaru. Sygnalizacja konieczności uzupełnienia paliwa.

F9 Faza usuwania gazów spalinowych. Następuje otwarcie przepustnicy a następnie jej zamknięcie i przejście do fazy spoczynkowej.

(43)

Przykładowe analizy składu spalin

(44)

Temperatury

(45)

Strata masy podczas spalania

(46)